Analisis Pengaruh Bentuk Profil Batang dan Geometri Sudut Terhadap Distribusi Tegangan Menggunakan Pendekatan Metode Numerik dan DAI5—Farras Palevi Ariyawan (2306223805)

A. Project Title

Analisis Pengaruh Bentuk Profil Batang dan Geometri Sudut Terhadap Distribusi Tegangan Menggunakan Pendekatan Metode Numerik dan DAI5

B. Author Complete Name

Farras Palevi Ariyawan

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. Abstract

Dalam dunia teknik mesin, kekuatan struktur menjadi salah satu faktor penting untuk merancang sebuah struktur, alat mekanikal, dan komponen mesin. Kekuatan struktur dapat dipengaruhi oleh berbagai hal salah satunya adalah profil batang. Profil suatu batang memiliki pengaruh besar terhadap distribusi tegangan dan kemungkinan terjadinya konsentrasi tegangan (stress concentration) dalam struktur teknik mesin. Konsentrasi tegangan adalah fenomena di mana tegangan lokal pada suatu objek menjadi lebih tinggi dibandingkan tegangan rata-rata objek tersebut terutama di sekitar area dengan perubahan geometri seperti objek yang berlubang atau objek dengan sudut tajam [1]. Benda cenderung mengalami kegagalan di lokasi konsentrasi tegangan tertinggi [1]. Profil batang dan juga konsentrasi tegangan inilah yang menyebabkan berbagai pertimbangan bagi kita untuk memilih material yang tepat serta seberapa besar defleksi yang bisa ditahan oleh sebuah struktur. Material dengan modulus elastisitas yang tinggi dapat mengurangi defleksi, namun apabila pemilihan profil batang tidak optimal, maka potensi kegagalan akibat konsentrasi tegangan tetap tinggi. Dengan memahami hubungan antara profil batang, distribusi tegangan, konsentrasi tegangan, dan karakterisitik material, kita dapat mengoptimalkan desain komponen untuk mencapai efisiensi material serta mengurangi resiko kegagalan.

Studi ini menganalisis pengaruh bentuk profil batang dan konsentrasi tegangan menggunakan metode numerik berbasis Finite Element Method (FEM) dengan kerangka berpikir DAI5. Analisis dilakukan pada sebuah batang profil persegi dan profil batang H (H-beam), serta variasi sebuah komponen dengan sudut tajam dan fillet. Simulasi dilakukan menggunakan aplikasi Autodesk Inventor untuk memperoleh distribusi tegangan dan pola defleksi.

E. Author Declaration

Deep Awareness of I
- Sebelum melakukan analisis lebih lanjut, saya menyadari bahwa kemampuan saya dalam berpikir, menganalisis, dan menyelesaikan masalah merupakan sebuah anugerah yang diberikan oleh sang pencipta yaitu Allah SWT. Setiap langkah dalam proses berpikir, mulai dari memahami pentingnya kekuatan struktur hingga melakukan simulasi numerik, harus dilandasi dengan kesadaran yang mendalam akan keterkaitan antara ilmu, etika, dan nilai spiritual. Sehingga dapat menghasilkan analisis yang bermanfaat bagi seluruh manusia dan juga menjadi sebuah jalan untuk pengembangan diri menuju insan yang lebih bertanggung jawab dan sadar akan makna dari setiap proses yang dijalani.
Intention of the project activity
- Analisis ini bertujuan untuk mambandingkan bagaimana pengaruh dari profil batang yang berbeda dan juga bentuk geometri dari sebuah komponen terhadap defleksi dan juga konsentrasi tegangan. Bentuk profil batang yang akan dianalisis berupa profil batang H dengan profil batang persegi, sedangkan konsentrasi tegangan yang akan dianalisis adalah sebuah komponen dengan sudut tajam dan fillet. Dalam melaksanakan studi ini, niat utama saya adalah memperdalam pemahaman saya di bidang teknik mesin terkait kekuatan struktur dan prinsip metode numerik melalui FEM serta memberikan analisis yang bermanfaat dan dapat digunakan untuk pengembangan teknologi yang lebih aman dan efisien. Selain itu diharapkan analisis ini menghasilkan kesimpulan yang berkualitas serta solusi yang akurat.

F. Introduction

Dalam perancangan struktur mekanikal, pemilihan profil batang dan juga analisis konsentrasi tegangan memiliki pengaruh terhadap efisiensi dan kestabilan struktur secara keseluruhan. Batang atau beam sebagai elemen utama memiliki berbagai variasi profil yang masing-masing dirancang untuk menahan beban tertentu. Dalam kasus ini, analisis pemilihan profil beam dapat dilakukan dengan cara membandingkan antara profil yang satu dengan yang lainnya. Profil H-beam merupakan salah satu profil yang sering digunakan dalam kehidupan nyata. H-beam banyak digunakan dalam konstruksi bangunan, jembatan, dan konstruksi maritim. H-beam memiliki berbagai keuntungan seperti kekuatan strukturnya yang tinggi, ringan, desain yang fleksibel, dll. Berbeda dengan beam dengan profil persegi (square beam), beam ini jarang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Hal inilah yang menyebabkan perlu analisis yang mendalam mengapa penggunaan H-beam lebih banyak dibanding square beam. Selain perbandingan profile beam, letak konsentrasi tegangan menjadi faktor penting yang mempengaruhi performa struktur. Konsentrasi tegangan terjadi saat terjadi peningkatan tegangan lokal di dalam material akibat adanya fitur geometris, seperti sudut tajam, lubang, atau perubahan luas penampang. Ketidakteraturan geometris ini mengganggu kelancaran aliran tegangan melalui material, menyebabkannya terkonsentrasi di titik-titik tertentu. Beam dengan sudut tajam cenderung mengalami konsentrasi tegangan yang lebih besar dibanding sudut lainnya sehingga diperlukan pengurangan sudut tajam pada sebuah struktur.

Initial Thinking (about the problem)

– Analisis masalah secara sistematis

Permasalahan pada perbandingan antara profil persegi dengan H-beam perlu dianalisis dari segi efisiensi distribusi beban serta penggunaan materialnya. Momen inersia menjadi salah satu aspek penting yang mempengaruhi ketahanan lentur sebuah batang/beam. Dari karakteristik sudut, perbedaan antara batang dengan sudut tajam dengan sudut fillet berperan besar dalam pendistribusian tegangan sehingga meningkatkan ketahanan suatu struktur. Maka dari itu, untuk memperoleh analisis yang yang lebih akurat, diperlukan adanya pendekatan metode numerik untuk menghitung distribusi tegangan, defleksi, serta momen pada berbagai profil dan bentuk sudut.

– Penelitian sebelumnya dan kesenjangan yang ada

Banyak penelitian yang membahas mengenai keunggulan profil H-beam dalam menahan beban lentur dibandingkan profil batang berbentuk persegi. Selain itu, studi tentang konsentrasi tegangan menunjukkan bahwa fillet dapat mengurangi stress concentration dibandingkan dengan sudut tajam. Namun, terdapat beberapa penelitian yang belum mengeksplor mengenai konsentrasi tegangan ini, khususnya pengaruh geometri sudut terhadap ketahanan beam.

– Mengurai masalah

Masalah utama dapat diuraikan menjadi 2 bagian yaitu:

Bagaimana pengaruh bentuk profil khususnya profil H-beam dan profil persegi terhadap distribusi beban, efisiensi penggunaan material, serta defleksi yang dialami oleh sebuah struktur.
Bagaimana bentuk geometri sebuah struktur yang sudut tajam dengan sudut fillet mempengaruhi konsentrasi tegangan dan kelelahan beam terhadap kegagalan material

– Dekonstruksi Prinsip-Prinsip Dasar

Prinsip-prinsip dasar yang digunakan dalam permasalahan ini adalah:

a.) momen inersia : adalah kecenderungan suatu benda untuk mempertahankan rotasinya. Setiap profil beam memiliki besar momen inersia yang berbeda-beda. Rumus dasar untuk momen inersia segi empat adalah:

Jika sumbu rotasi tidak terletak di centroid maka:

b.) reaksi tumpuan dan gaya dalam : reaksi tumpuan adalah gaya atau momen yang diperikan kepada penumpu atau support. Reaksi tumpuan ini digunakan untuk menghitung gaya dalam yang dialami oleh sebuah struktur. Gaya dalam adalah gaya atau momen yang bekerja di dalam struktur.

c.) FEA (Finite Element Analysis) : merupakan salah satu aplikasi metode numerik yang membagi suatu struktur menjadi elemen-elemen kecil untuk menghitung respon terhadap pembebanan. Elemen-elemen kecil ini saling terhubung pada titik-titik nodal dan hubungan antara gaya, kekakuan, dan defleksi pada struktur diformulasikan dalam bentuk sistem persamaan linear:

Dimana K adalah matriks kekakuan global, U adalah vektor perpindahan pada nodal, dan F adalah vektor gaya eksternal. FEA ini digunakan untuk membandingkan distribusi tegangan dan defleksi serta mengetahui letak dari konsentrasi tegangan.

d.) Mekanika kekuatan material : bagaimana perilaku sebuah material ketika menerima berbagai jenis tegangan seperti tegangan bending dan tegangan geser. Rumus tegangan bending :

Tegangan geser :

– Analisis State-of-the-Art

Saat ini, teknologi manufaktur dan desain struktur modern telah memungkinkan penggunaan profil-profil optimasi seperti H-beam dengan teknik produksi yang presisi, serta penerapan desain berbasis pengurangan konsentrasi tegangan menggunakan fillet. Penggunaan software simulasi seperti finite element analysis (FEA) juga semakin memudahkan analisis distribusi tegangan dan deformasi untuk berbagai jenis profil. Meski demikian, pemahaman praktis terhadap pengaruh bentuk dasar profil dan sudut masih sangat penting dalam proses desain awal, terutama dalam konstruksi sederhana atau proyek-proyek yang memiliki keterbatasan sumber daya.

G. Methods & Procedures

Idealizations

Dalam proses analisis, sejumlah asumsi dibuat untuk menyederhanakan kompleksitas permasalahan menjadi model yang dapat dianalisis secara matematis. Batang diasumsikan sebagai material homogen dan isotropik, dengan perilaku elastis linier terhadap pembebanan. Beban yang bekerja pada batang diasumsikan sebagai beban statis, baik dalam bentuk beban titik maupun beban merata, tanpa mempertimbangkan variasi beban terhadap waktu. Semua struktur yang dianalisis memiliki tumpuan fixed di ujung kirinya supaya memudahkan penggambaran distribusi tegangannya. Profil batang, baik persegi maupun H-beam, diasumsikan memiliki dimensi sempurna tanpa cacat manufaktur. Pada analisis sudut, perbedaan antara sudut tajam dan fillet dimodelkan secara ideal, dengan bentuk fillet dianggap sempurna tidak dipengaruhi oleh faktor eksternal seperti perubahan temperatur, korosi, atau efek kelelahan jangka panjang diabaikan.

Instruction set

1. Menyusun model batang dan struktur dengan geometri sudut.

uji profil batang : Kedua batang memiliki panjang 1,5 m dengan profil seperti berikut (satuan mm):

uji geometri sudut : struktur di bawah ini memiliki ketebalan 90 mm dan berikut tampak depannya (satuan mm)

2. Menentukan beban dan boundary condition

Struktur beam memiliki tumpuan fixed di ujung kiri lalu dikasi pembebanan yang berbeda. Pada uji profil dari batang diberikan beban sebesar 10 kN sedangkan pada uji geometri sudut diberikan beban sebesar 1 kN.

3. Melakukan pemodelan numerik

Model batang menggunakan material steel carbon kemudian dideskretisasi menggunakan finite element method untuk memastikan akurasi hasil simulasi.

– uji profil batang

– uji geometri sudut

4. Melakukan simulasi

H. Results & Discussion

Kriteria material yang digunakan dalam uji coba profil batang dan geometri sudut adalah sebagai berikut :

data hasil uji profil batang :

data hasil uji geometri struktur

Discussion

– Perbandingan Uji profil batang

dari hasil simulasi FEA, diperoleh nilai tegangan maksimum von misses pada profil persegi sebesar 90,71 MPa dan nilai tegangan minimum von misses sebesar 0,24 MPa. berbeda dengan profil H-beam dimana tegangan maksimum von misses nya sebesar 220,7 MPa dan nilai tegangan minimum von misses sebesar 0,5 MPa. Letak dari tegangan maksimum yang terjadi diantara 2 profil batang tersebut juga berbeda dimana pada profil persegi, tegangan maksimum terjadi di dekat tumpuan. hasil displacement atau defleksi pada profil persegi lebih besar dibandingkan dengan profil H-beam. Hal tersebut menandakan profil persegi akan lebih cepat mengalami kegagalan (fatigue) daripada profil H-beam.

– Perbandingan uji geometri sudut

Dari hasil simulasi FEA, diperoleh konsentrasi tegangan yang berbeda pada sudut fillet dan sudut tajam. pada sudut fillet, tegangan relatif lebih terdistribusi merata di bagian filletnya dibandingkan dengan konsentrasi tegangan pada sudut tajam. Pada sudut tajam, konsentrasi tegangan terjadi tidak tepat di sudutnya melainkan berada di depan dari sudut tersebut. Defleksi yang terjadi pada sudut fillet lebih rendah dibandingkan defleksi pada sudut tajam meskipun secara matematis perbedaan defleksi ini tidak dihitung karena hanya berbeda sekitar 2 x 10^-4 mm.

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

conclusion

Profil H-beam mampu menahan tegangan bending lebih baik daripada profil persegi. Hal ini dibuktikan dengan perhitungan secara metode numerik dan juga prinsip dasar mekanika kekuatan material dimana momen inersia profil H-beam lebih besar daripada profil persegi. Selain itu, profil H-beam memiliki massa yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan profil persegi. hal ini menunjukkan bahwa profil H-beam memiliki efisiensi penggunaan material yang lebih tinggi. Maka dari itu, profil H-beam lebih sering digunakan dalam sebuah struktur karena lebih ringan dan lebih kuat dibanding profil persegi
Struktur dengan geometri sudut fillet tidak selalu mengurangi konsentrasi tegangan dari sebuah struktur. Dapat dilihat dari maksimum tegangan yang dapat diterima oleh struktur sudut fillet lebih rendah daripada sudut tajam. Meskipun memiliki perbedaan yang sangat kecil pada defleksinya, sudut fillet memiliki potensi untuk mengurangi defleksi pada sebuah struktur namun perlu dilakukan analisis atau eksperimen yang lebih mendalam mengenai solusi ini. Sudut fillet lebih mendistribusikan tegangan supaya merata pada bagian filletnya, bukan di bagian utama dari strukturnya.

closing remarks

Melalui analisis numerik menggunakan metode elemen hingga (Finite Element Analysis), dapat disimpulkan bahwa pemilihan bentuk penampang memiliki pengaruh yang signifikan terhadap distribusi tegangan pada batang struktural. Profil H-beam menunjukkan ketahanan yang lebih baik terhadap momen bending.

Studi ini menegaskan pentingnya mempertimbangkan aspek geometri khususnya profil beam dalam desain struktur untuk memaksimalkan efisiensi dan mencegah terjadinya kegagalan prematur akibat konsentrasi tegangan. Diharapkan penelitian ini dapat menjadi salah satu landasan dalam pengembangan desain struktur yang lebih aman, ringan, dan ekonomis di masa depan.

recommendations

Berdasarkan hasil analisis numerik yang telah dilakukan, terdapat beberapa rekomendasi yang dapat dipertimbangkan untuk penelitian lanjutan maupun aplikasi praktis di lapangan:

memperluas studi dengan menganalisis variasi profil lainnya
melakukan analisis ketika menggunakan material yang berbeda
melakukan validasi eksperimental supaya membuktikan hasil perhitungan dari simulasi FEA (finite element analysis)
melakukan perhitungan dari beban dinamis

J. Acknowledgement

Dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan rasa syukur ke hadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga makalah ini dapat terselesaikan dengan baik. Penulis juga menyampaikan apresiasi dan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada dosen pengajar mata kuliah metode numerik yaitu Prof. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara atas ilmu, arahan, serta kesempatan yang diberikan untuk mengembangkan pemahaman dalam bidang ini. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada rekan-rekan yang telah bertukar pikiran dan berdiskusi terhadap pengetahuan mata kuliah metode numerik ini. Penulis menyadari bahwa karya ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk menjadi bekal perbaikan di masa mendatang.

K. References

Axom, Tessa. (2022, Juli 3). Stress Concentrations: How to Identify and Reduce Them in Your Designs. fictiv. Diakses pada 26 April 2025 melalui https://www.fictiv.com/articles/stress-concentrations-how-to-identify-and-reduce-them-in-your-designs
Supriyanto, Agung & Yunianto, Joko. (2016). PENGARUH BENTUK PENAMPANG BATANG STRUKTUR TERHADAP TEGANGAN DAN DEFLEKSI OLEH BEBAN BENDING. Jurnal Teknik Mesin Akademi Teknologi Warga Surakarta
Chandro, Boby. (2024, Agustus 27). Profil Baja H Beam: Cek Material, Ukuran, dan Beratnya. kontainerindonesia.co.id. Diakses pada 26 April 2025 melalui https://kontainerindonesia.co.id/blog/profil-baja-h-beam/
Neural Concept. Stress Concentration: Mitigating Risk Factors in Design Engineering. Diakses pada 26 April 2025 melalui https://www-neuralconcept-com.translate.goog/post/stress-concentration-mitigating-risk-factors-in-design-engineering?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=id&_x_tr_hl=id&_x_tr_pto=sge#

ccitonline.com